板梁結構振動的主動電磁控制系統的製作方法
2023-06-16 16:52:06
專利名稱：板梁結構振動的主動電磁控制系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及機械振動及噪聲控制技術領域，尤其涉及一種板梁結構振動的主動電磁控制系統。
背景技術：
任何一個機械系統受到動態激勵或幹擾時，都會產生響應，表現為結構的振動和噪聲，這不僅會降低機械系統的性能，而且會危害人類健康，隨著航空航天、精密機械、微納米技術等領域的發展，對結構振動的抑制成為各種系統設計的一個重要研究課題。然而，現有技術中大多數是採用附加阻尼和壓電智能結構的方法進行控制，其存在以下不足:1)由於設備的運行負荷、運行條件等經常發生變化，引起的振動劇烈程度也在發生變化，而普通的附加阻尼結構一旦製作安裝好，其阻尼係數的大小就不可改變，當機械系統運行環境發生變化，特別是共振時，其本身不具備增加阻尼的能力。2)對壓電智能結構，由於現有的壓電作動器對振動結構作用力的大小有限，往往會影響控制效果。本發明採用電磁鐵的磁極極性和磁場強度大小變化來控制板梁結構的振動，適合剛度較大板梁結構振動的控制。
發明內容
本發明就是為了解決現有技術存在的不足，提供一種板梁結構振動的主動電磁控制系統；包括不帶阻尼材料層的主動電磁控制系統、和帶阻尼材料層的主動電磁阻尼控制系統，實現對板梁結構的振動進行控制，以減少機械系統因振動引起的損壞，保持設備的精度和工作可靠性，延長設備的使用壽命，抑制結構對環境產生的噪聲汙染、保證操作人員的身心健康。為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案:一種板梁結構振動的主動電磁控制系統，所述系統包括機械部分和控制部分，所述機械部分包括非鐵磁性物質製成的牆壁、板梁結構、電磁鐵，所述板梁結構的一端與非鐵磁性物質製成的牆壁連接，板梁結構上設有位移傳感器，所述電磁鐵包括電磁鐵A、電磁鐵B、電磁鐵C、電磁鐵D，其中電磁鐵A、電磁鐵C設於非鐵磁性物質製成的牆壁內，所述電磁鐵
B、電磁鐵D設於板梁結構的兩側，所述電磁鐵A、電磁鐵B、電磁鐵D的線圈纏繞方向相同，電磁鐵C線圈纏繞方向與電磁鐵A、電磁鐵B、電磁鐵D纏繞方向相反，電磁鐵A與電磁鐵D通過導線串接在一起，電磁鐵B和電磁鐵C通過導線串接在一起；所述電磁鐵A與電磁鐵B的中心線共線，電磁鐵C與電磁鐵D的中心線共線；所述控制部分包括計算機、功率放大器、整流電路，所述計算機與位移傳感器連接，功率放大器輸入端與計算機連接，功率放大器輸出端的其中一路經不帶濾波器的橋式整流電路與電磁鐵A、電磁鐵D連接，另一路直接與電磁鐵B、電磁鐵C連接。功率放大器將來自計算機的控制信號放大到設定的倍數，使電磁鐵之間產生的作用力足夠大以克服板梁的振動，所述驅動電路在功率放大器輸出端分為兩路，一路經不帶濾波器的橋式整流電路與電磁鐵A、D連接，另一路直接與電磁鐵B、C連接。所述電磁鐵A、電磁鐵C以板梁結構4的中心平面為對稱面、對稱地設於非鐵磁性物質製成的牆壁內，所述電磁鐵B、電磁鐵D對稱地設於板梁結構的兩側，所述電磁鐵A與電磁鐵B的中心線共線，電磁鐵C與電磁鐵D的中心線共線。在振動板梁的上下兩側設有阻尼材料層，所述阻尼材料層外面設有約束層，所述電磁鐵B、電磁鐵D設於約束層外面、並靠近牆壁的一端。位移傳感器設於板梁結構上側或下側，位移傳感器設於遠離非鐵磁性物質製成牆壁的一端。當板梁結構向下彎曲振動時位移傳感器檢測到的位移為正值；當板梁結構向上彎曲振動時位移傳感器檢測到的位移為負值。位移傳感器通過信號線與控制系統計算機連接，計算機通過功率放大器與電磁鐵連接，其中功率放大器輸出端分為兩路，一路通過不帶濾波器的橋式全波整流電路與電磁鐵A和電磁鐵D連接，這樣即使功率放大器輸出電流方向變化，通過電磁鐵A和電磁鐵D的電流方向不變，也就是磁極極性總是不變，但其磁場強度可以通過調整電流大小來控制；另一路直接與電磁鐵B和電磁鐵C連接，這樣B和C的磁極極性和磁場強度大小都可以控制。所述間接控制結構阻尼材料可採用丁基橡膠、氯丁橡膠、丁腈橡膠的任意一種，高溫環境可以使用矽橡膠。 所述電磁鐵採用螺線管電磁鐵，鐵心插入螺線管內部、並與其固定。鐵心採用消磁較快的軟鐵或矽鋼材料製成，這些材料能夠在電磁鐵斷電後立即消磁，當線圈通有電流時，線圈內部產生磁場使軟鐵棒磁化，鐵棒產生的磁場與線圈磁場疊加使螺線管的磁場大大增強，但電流切斷後，線圈及軟鐵棒的磁性就消失。本發明中，直接控制結構的兩塊電磁鐵直接安裝於板梁結構上，間接控制結構在電磁鐵和板梁結構之間增加阻尼材料層和約束材料層，而其餘兩塊電磁鐵分別安裝於和板梁結構垂直的牆壁上，並與板梁結構上的電磁鐵位置對齊。所有電磁鐵通過導線要連接到功率放大器上，電磁控制系統發出控制信號，經功率放大器，對電磁鐵線圈通電，通過計算機PID控制算法調整控制電流的方向和大小，來控制電磁鐵的磁極極性和磁場強度大小，進而改變板梁結構電磁鐵和牆壁電磁鐵之間的作用力，減弱板梁結構的振動。整流電路採用不帶濾波器的橋式全波整流電路，包括四個兩兩對接的二極體組成。橋式整流電路左端接功率放大器輸出端中的一路，右端接電磁鐵A和電磁鐵D，當板梁結構向下彎曲振動，位移為正值，輸入電流為正，二極體對D1、D3加正向電壓，D1、D3導通，二極體對D2、D4加反向電壓，D2、D4截止，電路就由功率放大器、二極體Dl、電磁鐵A和電磁鐵D、二極體D3構成通電迴路，在電磁鐵A、D上有正的半波整流電壓；當板梁結構向上彎曲振動，位移為負值，輸入電流為負，二極體對D2、D4加正向電壓，D2、D4導通，二極體對D1、D3加反向電壓，Dl、D3截止，電路就由功率放大器、二極體D2、電磁鐵A和電磁鐵D、二極體D4構成通電迴路，同樣在電磁鐵A、D上有正的半波整流電壓。如此重複下去，結果在電磁鐵A、D上便得到未經濾波的全波整流電壓，也就是說電磁鐵A、D的磁極極性是不變的，而磁場強度是可控的。計算機通過PID控制算法對位移傳感器輸入的位移信號進行處理，計算機根據位移值大小計算出相應的輸出信號，該輸出信號經功率放大器放大後分為兩路，一路經不帶濾波器的橋式全波整流電路加載在磁極極性不變而磁場強度大小可控的電磁鐵A、電磁鐵D上，另一路直接加在磁極極性和磁場強度大小均可控的電磁鐵B、電磁鐵C上。具體處理步驟是，所述PID控制算法通過比較器，將位移傳感器測量位移值與設計最小位移比較，當位移的絕對值小於設計最小位移絕對值時，控制系統計算機不發控制信號，電磁鐵斷電；當位移傳感器測量位移的絕對值大於設計最小位移絕對值並且為負值時，表明板梁結構向上彎曲振動，PID控制算法根據位移值大小計算出相應的輸出，該輸出經功率放大器放大後分為兩路，一路經不帶濾波器的橋式全波整流電路加載在磁極極性不變而磁場強度大小可控的電磁鐵A、D上，另一路直接加在磁極極性和磁場強度大小均可控的電磁鐵B、C上，這樣就使電磁鐵A和B之間產生排斥力，C和D之間產生吸引力，對於直接控制結構，電磁鐵直接安裝於板梁結構上，通過電磁鐵之間的作用力直接控制板梁結構的振動，此時產生一個順時針彎矩，減弱向上彎曲板梁的振動。對於間接控制結構，當板梁向上彎曲振動時，貼在板梁上、下側的阻尼材料層發生剪切變形，除了產生一個使板梁結構回到平衡位置的可變力矩外，還能通過阻尼材料層的剪切變形來消耗振動能量，使振動儘快衰減下來；同理，當位移傳感器測量位移的絕對值大於設計最小位移絕對值並且為正值時，表明板梁結構向下彎曲振動，PID控制算法根據位移值大小計算出相應的輸出，該輸出經功率放大器放大後分為兩路，一路經不帶濾波器的橋式全波整流電路加載在電磁鐵A、D上，另一路直接與電磁鐵B、C連接，這樣就使電磁鐵A和B之間產生吸引力，C和D之間產生排斥力，對於直接控制系統，電磁鐵之間的作用力直接控制板梁結構的振動，產生一個逆時針彎矩，減弱板梁結構向下彎曲的振動。對於間接控制結構，當板梁向下彎曲振動時，貼在板梁結構上、下側的阻尼材料受到反向剪切變形，除了產生一個使板梁結構回到平衡位置的可變力矩外，還可通過阻尼材料層的剪切變形來消耗振動能量，使振動儘快衰減下來。本發明實施後，當板梁結構振動時，電磁控制系統利用PID控制算法對控制電路的電流方向和大小進行控制，實現本系統電磁鐵極性和磁場強度大小的可控性。當機械系統運轉狀態發生改變或環境變化時，引起系統結構振動狀況發生變化，當位移傳感器將檢測到的位移信息轉化為電信號並傳送到電磁控制系統的計算機，該計算機將位移測量值與控制目標值進行比較，並根據電磁控制的PID算法計算出電流大小及方向，經功率放大器放大，輸入電磁鐵，通過改變電磁鐵的電流方向和大小，從而改變板梁結構電磁鐵和牆壁電磁鐵之間的作用力，產生一個使板梁結構回到平衡位置的可變力矩，使懸臂板梁結構的振動快速衰減下來。位移傳感器再將測量的位移反饋給控制系統計算機，通過對電磁鐵磁極極性和磁場強度的控制，實現了對板梁結構振動位移的閉環控制。本發明的工作原理:電磁鐵是一種利用電流的磁效應使軟鐵芯具有磁性的裝置，一般而言，電磁鐵所產生的磁場強弱與電流大小、線圈匝數及中心的鐵芯有關，將軟鐵棒插入螺線管內部，當線圈通有電流時，線圈內部產生磁場使軟鐵棒磁化，鐵棒產生的磁場與線圈磁場疊加，螺線管的磁場強度大大增強，但電流切斷後，線圈及軟鐵棒的磁性就消失。電磁鐵的磁極極性可以通過電流方向來控制，磁場強弱可以通過電流大小控制。本發明利用控制電磁鐵的磁極極性和磁場強度大小來控制板梁結構的振動，通過位移傳感器和計算機控制固定在牆壁上電磁鐵和固定在板梁結構上電磁鐵的磁極極性和磁場強度大小，利用磁鐵的同性相斥異性相吸原理使磁極之間產生隨振動位移大小變化的阻力(或阻力矩)，而且位移越大，阻力(或阻 力矩)也就愈大，從而使懸臂板梁的振動快速衰減下來。位移傳感器放置於板梁結構的上側，當板梁結構向上彎曲振動時，採集到位移為負值；當板梁結構向下彎曲振動時，採集到位移為正值。位移傳感器將採集到的位移轉化為電信號，傳送至控制計算機，計算機根據位移大小和符號並按照PID控制算法計算出應該加載在電磁鐵上的電流大小和方向，送至功率放大器放大，最後施加在電磁鐵上。當懸臂板梁振動產生向上彎曲位移時，位移傳感器接收到負的位移信號並將該信號送至控制系統的計算機，該計算機根據位移傳感器檢測到的位移大小和方向，利用PID控制算法計算出相應控制信號的強弱和方向，經功率放大器放大處理後分為兩路，一路直接連接磁極極性和磁場強度大小均可控的電磁鐵B、C，使其通電產生磁場；另一路送至不帶濾波器的橋式整流電路，該電路產生的電流使電磁鐵A、D產生的磁極極性不變而磁場強度大小可控，這樣使電磁鐵A的右端和電磁鐵B的左端磁極均為S極產生排斥力，電磁鐵C的右端為S極，電磁鐵D的左端為N極，產生吸引力，從而合成一個使板梁結構回到平衡位置的可變力矩，而且位移越大，該作用力矩也就愈大。對於直接控制系統，電磁鐵直接安裝於板梁結構上，通過電磁鐵之間的作用力直接控制板梁結構的振動，此時產生一個順時針彎矩，從而減弱板梁向上彎曲的振動位移；對於間接控制系統，在電磁鐵和板梁結構之間增加了阻尼材料層，當板梁向上彎曲振動時，貼在板梁上、下側的阻尼材料因受到剪切力而變形，除了產生一個使板梁結構回到平衡位置的可變力矩外，還可通過阻尼材料層的剪切變形來消耗振動能量，從而使振動儘快衰減下來。同理，當板梁結構向下彎曲振動時，位移傳感器接收到正的位移信號，正向的電流經過不帶濾波器的橋式整流電路後電流方向不變，因此，這時通過A、B、C、D四個電磁鐵的電流均為正向電流，電磁鐵A的右端磁極極性仍為S極，電磁鐵B的左端磁極極性變為N極，產生吸引力，電磁鐵C的右端和電磁鐵D的左端磁極極性均為N極產生排斥力。對於直接控制系統，電磁鐵之間的作用力直接控制板梁結構的振動，產生一個逆時針彎矩，而且位移越大，作用力矩也就愈大，從而減弱向下彎曲板梁結構的振動；對於間接控制系統，當板梁向下彎曲振動時，粘貼在板梁上、下側的阻尼材料受到反向剪切變形，除了產生一個使板梁結構回到平衡位置的可變力矩外，還可通過阻尼材料層的剪切變形來消耗振動能量，使結構振動儘快衰減下來。本發明的有益效果:
1.本發明將現代控制理論、計算機技術和電磁技術相結合，在板梁結構振動時自發地改變電磁鐵磁極極性和磁場強度，使其振動較快的衰減下來，實現對板梁結構振動的智能化主動控制，可靠性高，減少了機械系統因振動引起的損壞，保持設備的精度，延長設備的使用壽命，並抑制結構對環境產生的噪聲汙染、保證操作人員的身心健康，實用性強、經濟性高；2.提供了直接控制和間接控制兩種板梁結構振動控制系統，前者電磁鐵直接安裝在板梁結構上，後者在電磁鐵和板梁結構之間增加阻尼材料層，除了磁極之間的直接作用夕卜，還有部分振動能量是通過阻尼材料層的剪切變形消耗掉，達到控制振動之目的；與前者相比，後者的控制效果要更加平穩；3.採用位移傳感器對板梁結構的振動狀態信息實時監測，位移傳感器將採集板梁結構的振動位移信息反饋給控制系統計算機，實現電磁鐵磁極極性和磁場強度大小的智能控制，系統控制精度高、重量輕、靈敏度高；4.電磁鐵磁極極性通過電流方向來控制，磁場強度大小通過電流的大小來控制，便於對電磁振動控制系統進行自適應控制；5.採用丁基橡膠、氯丁橡膠、丁腈橡膠、以及在高溫環境下使用矽橡膠作為阻尼減振材料，具有損耗因子聞的優點；6.採用電磁鐵控制能夠對板梁結構產生較大的作用力，因此本發明特別適用於高剛度的板梁結構的振動控制，振動控制效果好；7.採用不帶濾波的橋式全波整流電路，利用二極體的單向導通特性使與橋式整流電路相連電磁鐵的電流方向不變，也就是電磁鐵的磁極極性不變，而磁場強度大小能夠通過位移傳感器檢測信號大小來控制，本發明的這種設計具有結構簡單、可靠性高，控制效果好。
圖1板梁振動的主動電磁控制系統(圖中黑點表示此處的相交導線連接)；圖2板梁振動的主動電磁阻尼控制系統(圖中黑點表示此處的相交導線連接);圖3板梁振動的主動電磁控制結構；圖4板梁振動的主動電磁阻尼控制結構；圖5無濾波器的橋式整流 電路；圖6控制軟體流程圖(圖中S為傳感器測量的位移值，a為設計最小位移)；圖7直接控制結構向上彎曲振動時電磁鐵之間的相互作用(圖中箭頭為電流方向)；圖8間接控制結構向上彎曲振動時電磁鐵之間的相互作用(圖中箭頭為電流方向)；圖9直接控制結構向下彎曲振動時電磁鐵之間的相互作用(圖中箭頭為電流方向)；圖10間接控制結構向下彎曲振動時電磁鐵之間的相互作用(圖中箭頭為電流方向)；圖11系統控制原理圖；圖12 (a)控制系統的傳感器信號波形例圖；圖12 (b)控制系統的功率放大器輸出信號對應波形例圖；圖12 (C)控制系統的整流電路輸出信號對應波形例圖；圖中:1.非鐵磁性物質製成的牆壁，2.電磁鐵，3.導線，4.板梁結構，5.位移傳感器，6.整流電路，7.約束層，8.阻尼材料層，A、B、C、D分別是四個電磁鐵的編號，D1、D2、D3、D4分別為橋式整流電路的四個二極體編號，N、S分別為電磁鐵的兩個極性。
具體實施例方式下面結合圖1至圖12與實施例對本發明做進一步說明。—種板梁結構振動的主動電磁控制系統，結合圖1至圖12c，所述系統包括機械部分和控制部分，所述機械部分包括非鐵磁性物質製成的牆壁1、板梁結構4、電磁鐵2，所述板梁結構4的一端與牆壁I連接，板梁結構4上設有位移傳感器5，所述電磁鐵2包括電磁鐵A、電磁鐵B、電磁鐵C、電磁鐵D，其中電磁鐵A、電磁鐵C設於牆壁I內，所述電磁鐵B、電磁鐵D設於板梁結構4的兩側，所述電磁鐵A、電磁鐵B、電磁鐵D的線圈纏繞方向相同，電磁鐵C線圈纏繞方向與電磁鐵A、電磁鐵B、電磁鐵D纏繞方向相反，電磁鐵A與電磁鐵D通過導線3串接在一起，電磁鐵B和電磁鐵C通過導線3串接在一起；所述電磁鐵A與電磁鐵B的中心線共線，電磁鐵C與電磁鐵D的中心線共線；所述控制部分包括計算機、功率放大器、不帶濾波器的整流電路6，所述計算機與位移傳感器5連接，功率放大器輸入端與計算機連接，功率放大器輸出端的其中一路經不帶濾波器的橋式整流電路與電磁鐵A、電磁鐵D連接，另一路直接與電磁鐵B、電磁鐵C連接。功率放大器將來自計算機的控制信號放大到設定的倍數，使電磁鐵之間產生的作用力足夠大以克服板梁的振動，驅動電路在功率放大器輸出端分為兩路，一路經不帶濾波器的橋式整流電路與電磁鐵A、D連接，另一路直接與電磁鐵B、C連接。能夠實現對直接控制結構和間接控制結構進行控制。所述的電磁鐵A、電磁鐵C以板梁結構4的中心平面為對稱面、對稱地設於非鐵磁性物質製成的牆壁I內， 所述電磁鐵B、電磁鐵D對稱地設於板梁結構4的兩側，所述電磁鐵A與電磁鐵B的中心線共線，電磁鐵C與電磁鐵D的中心線共線。所述間接控制板梁結構的上下兩側設有阻尼材料層8，所述阻尼材料層8外面設有約束層7，所述電磁鐵B、電磁鐵D設於約束層7外面、並靠近牆壁的一端。能夠實現對間接控制結構進行控制。所述位移傳感器5設於板梁結構的上側、或下側，並位於遠離牆壁I的那一端。當板梁結構向下彎曲振動時位移傳感器檢測到的位移為正值，如圖12a所示第一個半周期；當板梁結構向上彎曲振動時位移傳感器檢測到的位移為負值，如圖12a所示第二個半周期。位移傳感器通過信號線與控制系統計算機連接，計算機通過功率放大器與電磁鐵連接，其中功率放大器輸出端分為兩路，一路通過不帶濾波器的橋式全波整流電路與電磁鐵A和電磁鐵D連接，這樣即使功率放大器輸出控制信號如圖12b所示，其電流大小和方向是變化的,而通過電磁鐵A和電磁鐵D的電流方向不變，如圖12c所示，也就是磁極極性總是不變，但其磁場強度大小可以通過調整電流大小來控制；另一路直接與電磁鐵B和電磁鐵C連接，這樣B和C的磁極極性和磁場強度大小都可以控制。所述位移傳感器將採集板梁結構的振動位移信息反饋給控制系統計算機以實現電磁鐵磁極極性和磁場強度大小的智能控制，具有靈敏度高、體積小、重量輕的特點。位移傳感器放置於板梁結構的上側，當板梁結構向上彎曲振動時，採集到位移為負值；當板梁結構向下彎曲振動時，採集到位移為正值。位移傳感器將採集到的位移轉化為電信號，傳送至控制計算機，計算機根據位移大小和符號並按照PID控制算法計算出控制電流大小和方向，送至功率放大器放大，最後施加在電磁鐵上。所述間接控制結構阻尼材料層採用丁基橡膠、氯丁橡膠、丁腈橡膠、高溫環境可以使用矽橡膠。阻尼材料層粘貼於板梁結構的上下兩表面，約束層粘貼於阻尼材料層外面，在約束層靠近牆壁的一端安裝電磁鐵。所述電磁鐵採用螺線管電磁鐵，鐵心插入螺線管內部、並與其固定。鐵心採用消磁較快的軟鐵或矽鋼材料製成，這些材料能夠使電磁鐵斷電立即消磁，當線圈通有電流時，線圈內部產生磁場使軟鐵棒磁化，鐵棒產生的磁場與線圈磁場疊加使螺線管的磁場大大增強，但電流切斷後，線圈及軟鐵棒的磁性就消失。在本發明中，如圖3所示的主動電磁控制結構的兩塊電磁鐵是直接安裝於板梁結構上，主動電磁阻尼控制結構如圖4所示，則是在電磁鐵和板梁結構之間增加阻尼材料層和約束材料層，而其餘兩塊電磁鐵分別安裝於與板梁結構垂直的牆壁上，並與板梁結構上的電磁鐵位置對齊(電磁鐵的中心線要共線)。通過導線將電磁鐵分別連接到功率放大器上，電磁控制系統發出控制信號，經功率放大器，對電磁鐵線圈通電，通過計算機PID控制算法調整控制電流的方向和大小，來控制電磁鐵的磁極極性和磁場強度大小，進而改變板梁結構電磁鐵和牆壁電磁鐵之間的作用力，減弱板梁結構的振動。所述整流電路採用不帶濾波器的橋式全波整流電路，是由4個兩兩對接的二極體組成的，具體如圖5所示。橋式整流電路左端接功率放大器輸出端中的一路，右端接電磁鐵A和電磁鐵D，當板梁結構向下彎曲振動，位移為正值，輸入電流為正半周，二極體對Dl、D3加正向電壓，D1、D3導通，二極體對D2、D4加反向電壓，D2、D4截止，電路就由功率放大器、二極體Dl、電磁鐵A和電磁鐵D、二極體D3構成通電迴路，在電磁鐵A、D上有正的半波整流電壓；當板梁結構向上彎曲振動，位移為負值，輸入電流為負半周，二極體對D2、D4加正向電壓，D2、D4導通，二極體對D1、D3加反向電壓，D1、D3截止，電路就由功率放大器、二極體D2、電磁鐵A和電磁鐵D、二極體D4構成通電迴路，同樣在電磁鐵A、D上有正的半波整流電壓。如此重複下去,結果在電磁鐵A、D上便得到未經濾波的全波整流電壓，也就是說電磁鐵A、D的磁極極性是不變的，而磁場強度是可控的。所述計算機通過PID控制算法對位移傳感器輸入的位移信號進行處理，具體如圖6所示，計算機根據位移值大小計算出相應的輸出信號，該輸出信號經功率放大器放大後分為兩路，一路經不帶濾波器的橋式全波整流電路加載在磁極極性不變而磁場強度大小可控的電磁鐵A、電磁鐵D上，另一路直接加在磁極極性和磁場強度大小均可控的電磁鐵B、電磁鐵C上。具體處理步驟是，所述PID控制算法通過比較器，將位移傳感器測量位移值與設計最小位移比較，當位移值的絕對值小於設計最小位移絕對值時，控制系統計算機不發控制信號，電磁鐵斷電；當位移傳感器測量位移的絕對值大於設計最小位移絕對值並且為負值時，表明板梁結構向上彎曲振動，PID控制算法根據位移值大小計算出相應的輸出，該輸出經功率放大器放大後分為兩路，一路經不帶濾波器的橋式全波整流電路加載在磁極極性不變而磁場強度大小可控的電磁鐵A、D上，另一路直接加在磁極極性和磁場強度大小均可控的電磁鐵B、C上，這樣就·使電磁鐵A和B之間產生排斥力，C和D之間產生吸引力，對於直接控制結構，電磁鐵直接安裝於板梁結構上，通過電磁鐵之間的作用力直接控制板梁結構的振動，此時產生如圖7所示的一個順時針彎矩，減弱向上彎曲板梁的振動。對於間接控制結構，當板梁向上彎曲振動時，貼在板梁上、下側的阻尼材料層發生剪切變形，除了產生一個如圖8所示的使板梁結構回到平衡位置的可變力矩外，還能通過阻尼材料層的剪切變形來消耗振動能量，使振動儘快衰減下來；同理，當位移傳感器測量位移的絕對值大於設計最小位移絕對值並且為正值時，表明板梁結構向下彎曲振動，PID控制算法根據位移值大小計算出相應的輸出，該輸出經功率放大器放大後分為兩路，一路經不帶濾波器的橋式全波整流電路加載在電磁鐵A、D上，另一路直接與電磁鐵B、C連接，這樣就使電磁鐵A和B之間產生吸引力，C和D之間產生排斥力，對於直接控制系統，電磁鐵之間的作用力直接控制板梁結構的振動，產生一個如圖9所示的逆時針彎矩，減弱板梁結構向下彎曲的振動。對於間接控制結構，當板梁向下彎曲振動時，貼在板梁結構上、下側的阻尼材料受到反向剪切變形，除了產生一個如圖10所示的使板梁結構回到平衡位置的可變力矩外，還可通過阻尼材料層的剪切變形來消耗振動能量，使振動儘快衰減下來。本發明實施後，當板梁結構振動時，電磁控制系統利用PID控制算法對控制電路的電流方向和大小進行控制，具體如圖6所示，實現本系統電磁鐵磁極極性和磁場強度大小的可控性。當機械系統運轉狀態發生改變或環境變化時，引起系統結構振動狀況發生變化，當位移傳感器將檢測到的位移信息轉化為電信號並傳送到電磁控制系統的計算機，該計算機將位移測量值與控制目標值進行比較，並根據電磁控制的PID算法計算出電流大小及方向，經功率放大器放大，輸入電磁鐵，通過改變電磁鐵的電流方向和大小，從而改變板梁結構電磁鐵和牆壁電磁鐵之間的作用力，產生一個與結構彎曲振動方向相反的彎矩，使懸臂板梁結構的振動快速衰減下來。位移傳感器再將測量的位移反饋給控制系統計算機，通過對電磁鐵磁極極性和磁場強度的控制，實現對振動板梁結構振動位移的閉環控制，具體原理如圖11所示。上述雖然結合附圖對發明的具體實施方式
進行了描述，但並非對本發明保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即 可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護範圍以內。
權利要求
1.一種板梁結構振動的主動電磁控制系統，其特徵是，所述系統包括機械部分和控制部分，所述機械部分包括非鐵磁性物質製成的牆壁、板梁結構、電磁鐵，所述板梁結構的一端與牆壁連接，板梁結構上設有位移傳感器，所述電磁鐵包括電磁鐵A、電磁鐵B、電磁鐵C、電磁鐵D，其中電磁鐵A、電磁鐵C設於非鐵磁性物質製成的牆壁內，所述電磁鐵B、電磁鐵D設於板梁結構的兩側，所述電磁鐵A、電磁鐵B、電磁鐵D的線圈纏繞方向相同，電磁鐵C線圈纏繞方向與電磁鐵A、電磁鐵B、電磁鐵D纏繞方向相反，電磁鐵A與電磁鐵D通過導線串接在一起，電磁鐵B和電磁鐵C通過導線串接在一起；所述控制部分包括計算機、功率放大器、不帶濾波器的全波整流電路，所述計算機與位移傳感器連接，功率放大器輸入端與計算機連接，功率放大器輸出端的其中一路經不帶濾波器的橋式整流電路與電磁鐵A、電磁鐵D連接，另一路直接與電磁鐵B、電磁鐵C連接。
2.如權利要求1所述的板梁結構振動的主動電磁控制系統，其特徵是，所述中電磁鐵A、電磁鐵C以板梁結構4的中心平面為對稱面、對稱地設於非鐵磁性物質製成的牆壁內，所述電磁鐵B、電磁鐵D對稱地設於板梁結構的兩側，所述電磁鐵A與電磁鐵B的中心線共線，電磁鐵C與電磁鐵D的中心線共線。
3.如權利要求1所述的板梁結構振動的主動電磁控制系統，其特徵是，所述板梁結構的上、下兩側設有阻尼材料層，所述阻尼材料層外面設有約束層，所述電磁鐵B、電磁鐵D設於約束層外面、並靠近牆壁的一端。
4.如權利要求1所述的板梁結構振動的主動電磁控制系統，其特徵是，所述位移傳感器設於板梁結構上側、或下側，位移傳感器設於遠離牆壁的一端。
5.如權利要求1所述的板梁 結構振動的主動電磁控制系統，其特徵是，所述間接控制結構阻尼材料層採用丁基橡膠、或氯丁橡膠、或丁腈橡膠、或矽橡膠。
6.如權利要求1所述的板梁結構振動的主動電磁控制系統，其特徵是，所述電磁鐵採用螺線管電磁鐵，鐵心插入螺線管內部、並與其固定，鐵心採用消磁較快的軟鐵或矽鋼材料製成。
7.如權利要求1所述的板梁結構振動的主動電磁控制系統，其特徵是，所述整流電路採用不帶濾波器的橋式全波整流電路，包括四個兩兩對接的二極體組成，橋式整流電路左端接功率放大器輸出端中的一路，右端接電磁鐵A和電磁鐵D，電磁鐵A、電磁鐵D上得到未經濾波的全波整流電壓。
8.如權利要求1所述的板梁結構振動的主動電磁控制系統，其特徵是，所述計算機通過PID控制算法對位移傳感器輸入的位移信號進行處理，計算機根據位移值大小計算出相應的輸出信號，該輸出信號經功率放大器放大後分為兩路，一路經不帶濾波器的橋式全波整流電路加載在磁極極性不變而磁場強度大小可控的電磁鐵A、電磁鐵D上，另一路直接加在磁極極性和磁場強度大小均可控的電磁鐵B、電磁鐵C上,產生一個使板梁結構回到平衡位置的可變力矩。
9.如權利要求3所述的板梁結構振動的主動電磁控制系統，其特徵是，所述計算機通過PID控制算法對位移傳感器輸入的位移信號進行處理，計算機根據位移值大小計算出相應的輸出信號，該輸出信號經功率放大器放大後分為兩路，一路經不帶濾波器的橋式全波整流電路加載在磁極極性不變而磁場強度大小可控的電磁鐵A、電磁鐵D上，另一路直接加在磁極極性和磁場強度大小均可控的電磁鐵B、電磁鐵C上,產生一個使板梁結構回到平衡位置的可變力矩外，同時還能通過阻尼材料層的剪切變形來消耗振動能量，使振動儘快衰減下來。
10.如權利要求1所述的板梁結構振動的主動電磁控制系統，其特徵是，位移傳感器能將測量的位移反饋給控制系統計算機，通過對電磁鐵磁極極性和磁場強度的控制，實現了對板梁結構振動位移的閉環 控制。
全文摘要
本發明公開了一種板梁結構振動的主動電磁控制系統，包括機械部分和控制部分，所述機械部分包括非鐵磁性物質製成的牆壁、板梁結構、電磁鐵，所述板梁結構的一端與牆壁連接，板梁結構上設有位移傳感器，所述電磁鐵包括電磁鐵A、電磁鐵B、電磁鐵C、電磁鐵D，所述控制部分包括計算機、功率放大器、不帶濾波器的全波整流電路，所述計算機與位移傳感器連接，功率放大器輸入端與計算機連接，功率放大器輸出端的其中一路經不帶濾波器的橋式整流電路與電磁鐵A、電磁鐵D連接，另一路直接與電磁鐵B、電磁鐵C連接。當板梁結構發生振動時，能夠自發地改變電磁鐵的磁極極性和磁場強度，使振動較快地衰減，減少了機械系統因振動引起的損壞。
文檔編號F16F15/03GK103244603SQ20131016900
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月9日 優先權日2013年5月9日
發明者梁森, 王常松 申請人:青島理工大學